無人駕駛列車制動系統的應用探究

陶磊 張洋 邱力博 劉宇輝

摘要：無人駕駛列車的操作難點在于整個控制環節都需要通過軟件程序來實現，這就對技術人員的專業工作能力提出了更高的要求。本文主要從列車制動系統的運行原理展開分析，明確系統的設計要點。研究充分發揮信息技術手段，提高系統應用效果的可行方案。在這個環節中還有一些事項需要注意，主要包括零部件維修保養及人員培訓教育等。這是影響系統運行安全的關鍵所在，需要列車設計、制造及運營部門引起重視。

關鍵詞：無人駕駛;列車;制動系統。

一、無人駕駛列車等級分類

國際標準按照軌道交通線路自動化程度定義了4層自動化等級（GOA），自動化程度從低至高為GOA1至GOA4。

GoA1：在ATP（列車自動防護系統）防護下的完全人工駕駛，由司機控制列車的啟動、停止，車門的開關，以及突發情況的處理;

GoA2：半自動駕駛，車輛的啟動、停止是自動運行，但是司機室配備一名司機開動車輛，控制車門的開關，以及應對緊急情況下列車的駕駛。大部分地鐵ATO系統是這個級別;

GoA3：無司機駕駛，列車的啟動、停止是自動化的，但列車配備一名服務人員，列車服務人員控制列車車門的開關以及緊急情況下對列車的控制;

GoA4：完全自動駕駛，列車喚醒、休眠、啟動、停止、車門的開閉、以及緊急情況下的列車運行全部為自動駕駛，不需要任何一名工作人員參與。

二、無人駕駛列車制動系統的運行原理及其設計要點

GoA4級別為無人駕駛的最高級別，為真正意義上的無人駕駛，目前大眾最關心的就是其運行安全性與穩定性，即停得下、停的準、停的穩，而這就需要從列車制動系統的設計及應用環節展開分析。

1、基本原理

制動系統指的是限制列車運行狀態及行駛速度的控制及執行機構，在系統設計時，主要利用車載信號ATC控制器將列車運行的實際信息與車載ATC系統本身存儲的線路電子地圖信息進行綜合比較、計算，然后智能判斷出列車所處位置，及該位置所處區域的限速值，進而判斷列車行駛速度是低于該區域限速還是高于該區域限速，若實際速度高于限速則對列車施加制動，進而降低列車速度，這就是制動系統的基本原理。在整個工作流程中，還涉及定位系統、測速裝置、壓力檢測等設備的安裝和使用，操作難度相對較高。

2、制動效果的調節設計

列車制動力調節是通過車載ATC系統給出0-10V的可調電壓信號控制中繼閥的開啟量來實現的。閥門的工作電壓為24V，指令信號為0.7-10.7VDC，對應控制壓力為0-100PSI（0-689kPa），反饋信號為0-10VDC，對應控制壓力為0-100PSI（0-689kPa）。在基礎設計環節中，技術人員首先要掌握電壓與壓力之間的關系，結合關系式來了解目前制動效果的優化研究方向，從而擬定出科學合理的方案。具體關系式如下圖1所示：

3、對摩擦系數的研究

在設計制動系統時，技術人員還需要了解制動系統的運行特點，分析出實際列車運行過程中對制動效果造成影響的關鍵因素有哪些。常見的因素主要有車輛自身的運行狀態以及車輛受到的摩擦阻力等問題，運行狀態可以通過智能設備實現自動化管理。而摩擦阻力問題，主要受輪軌摩擦系數影響，需展開詳細的分析和研究，其準確與否直接影響到列車的制動效果。在這個環節，技術人員應當結合以往的工作經驗進行總結，將速度與制動效果之間的關系圖（如圖2）繪制出來指導制動系統設計工作，并在后續試驗中結合試驗數據對關系圖進行優化更新。

技術人員根據關系圖可以直觀清晰的了解二者的關系，可以對制動速度進行科學的選擇，有效提高制動系統的應用效果，進而為無人駕駛列車的精確制動提供保障。

4、系統自檢及故障處理

由于GoA4級別列車通常不設司機，列車的喚醒、運行、休眠均需自動實施。為確保列車運行安全，每天列車喚醒時應立即對制動系統進行詳細自檢，包括控制及執行機構，并對發現的故障及時上傳，對嚴重故障應特別標注，提醒運營部門注意。同樣，在列車運行過程中，制動系統應及時上傳故障信息，為確保列車的可用性，制動系統還需具備自復位及重啟功能。

5、人工駕駛界面的設計

GoA4級別列車在平時運行中為無人駕駛，但在試驗、調試及列車轉線運行中，仍需人工駕駛，為此人工駕駛界面的設計也應給予足夠重視。就制動系統而言，一是要防止乘客對人工駕駛界面中制動系統開關、按鈕的誤操作。二是制動系統的設計及布置應充分考慮運營部門意見，便于司機操作，最好能做到全線網方案統一。

6、列車客室門解鎖后的控制邏輯

關于列車客室門解鎖后的控制邏輯，目前主要有以下兩種方案。一是列車施加緊急制動，直至停車。二是列車發出故障提示，但列車仍正常運行。考慮到GoA4級別列車通常不設司機，若列車在區間停車容易發生混亂，嚴重影響運營安全，故建議按方案二實施，發生車門解鎖時，運營部門應在列車到達下一車站時及時派員上車處理。

三、制動系統在無人駕駛列車中的應用效果及相關注意事項

1、應用效果

與傳統的列車運行模式相比，無人駕駛列車的優點在于節省了司機的薪酬開支，提高運營部門的經濟效益，并避免由于司機誤操作而發生的事故。從實際工作情況來看，無人駕駛列車制動系統是時代發展背景下的產物，在保證系統運行安全的狀態下，還可以提高運行的效率。這主要是依靠于智能監控技術，讓計算機系統可以對列車正常行駛狀態下的數據進行記錄，然后系統通過智能統計和分析，進而計算出數據變化范圍。一旦運行過程中出現了數據異常的情況，則可以發出信號引起運營部門注意，并根據故障的嚴重程度智能采取制動措施，保證列車運行安全。因此，無人駕駛列車及其制動系統有著良好的發展前景。

2、人員培訓教育問題

制動系統之所以可以實現智能調節列車運行速度的功能，主要是依靠技術人員為系統設定參數信息，列車在接收到相應的指令后，會智能判斷列車運行狀態，然后執行指令，進而達到制動的效果。這就要求運營部門意識到人才的重要作用，定期進行員工能力考核，分析出員工之間存在的共性問題。然后安排專家為員工傳授工作經驗，引導員工研究、優化制動系統，提高制動系統的可靠性、可用性及安全性。

3、零部件維修保養問題

列車制動系統為列車核心系統之一，其直接關系到列車行車安全，而制動系統的穩定運行又依賴于其內部各零部件的穩定運行，無論是控制機構或執行機構出現問題均會對系統造成影響。因此，運營部門需高度重視并做好制動系統零部件的維修保養工作，建立健全內部監管機制，對于受損無法繼續使用的零件要及時更換。另外，還應從員工行為入手，規范檢修工作流程，常見的方式有設置責任監管機制及獎勵激勵制度，將零部件維修及保養的工作落實到每位員工，并設置獎勵激勵機制，提高員工的工作積極性，及時消除列車運行的安全隱患。

四、結論

為推動無人駕駛列車事業的可持續發展，提高我國科技水平，技術人員應當不斷總結個人工作經驗，明確現階段的優勢及不足，區分出傳統列車制動方式及自動化制動系統之間在應用效果上的差異，并結合試驗數據研究影響制動效果的關鍵因素，有針對性的展開優化研究工作。同時，還應從列車基礎零部件的維修保養角度規范自身工作行為，以確保制動系統性能的充分發揮。

參考文獻：

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